Pára-Raios

Quando se formam tempestades, formam-se, com elas, elevados potenciais eléctricos nas nuvens.
Estes potenciais eléctricos são tão elevados que podem disromper o ar atmosférico que, como todos sabemos, em condições normais é isolante.
Essa disrupção pode pôr em causa a segurança das pessoas e bens, pois o elevado potencial eléctrico pode descarregar-se, através do ar, nas casas, pessoas, etc.
A primeira pessoa a estudar este fenómeno foi Benjamin Franklin, através da famosa experiência do papagaio

Clique na imagem para ver a animação

Clique na imagem para ver a animação

Depois de compreender o fenómeno a que aludimos anteriormente, Franklin estudou a melhor forma de proteger as pessoas deste perigo, chegando-se depois à construção do primeiro pára-raios, cujo nome é uma homenagem ao cientista.

Mas como se formam os potenciais eléctricos imensos durante as tempestades?

As camadas de ar que sobem na atmosfera, levam consigo várias impurezas carregadas de electricidade. Por sua vez, e mais importante ainda, o atrito (fricção – ver adiante) entre as pequenas gotículas microscópicas de água que vão formar as nuvens, formam potenciais eléctricos da ordem dos milhões de volts.
Constatou-se que as cargas negativas (electrões), que são móveis, ficam na parte inferior das nuvens, como se pode ver na figura:

A sua tendência é deslocarem-se para a terra (ou para outra nuvem – lembrem-se que a parte superior das nuvens fica com potencial positivo), apesar do efeito isolante do ar constituinte da atmosfera. Só que essa elevada resistência é vencida muitas vezes pelo elevadíssimo potencial eléctrico que se concentra na nuvem.

A ideia de Benjamin Franklin foi que se puséssemos, em cima das casas uma haste, o mais comprida possível, para melhores resultados, ligada à terra por um material condutor, as cargas eléctricas oriundas da nuvem ficariam com um caminho mais fácil de percorrer (menor resistência eléctrica, não é?), diminuindo assim a probabilidade de o raio fazer estragos nas casas e pessoas, pois a sua tendência é ir pelo caminho mais fácil.

O Pára-Raios do Tipo Franklin

Como forma de não pôr ele próprio em perigo a segurança das pessoas, o cabo de descida do pára-raios deve ser colocado com alguns cuidados:
– Esse cabo não deve tocar em nenhuma parte metálica do edifício onde é colocado, pelo que as normas recomendam um afastamento mínimo de 10 cm, e os suportes devem ter isoladores do tipo roldana, no meio dos quais passará o cabo;
– O eléctrodo de terra deverá ter uma resistência máxima de 10 ohm.

Área de Protecção

A lei impõe regras para a área em redor de cada edifício que deve ser protegida por pára-raios.
O cumprimento das normas leva a que

N = Ng . Ae x 10^6-
N = frequência da média de raios previsíveis, por ano e por km^2, na zona da edificação
Ae = Área de exposição em m^2
Ae = Lw + 2LH + 2Hw + piH^2
L – comprimento
W – largura
H – altura da edificação
Ng – 0.04 x Td^1,25
Td – número de dias de trovoadas por ano

A lei manda ainda que só seja obrigatório montar um Sistema de Protecção Contra Descargas Atmosféricas, caso N seja maior que 1 por 1000

Cabos de Descida

Estes cabos devem ser de cobre multifilar com diâmetro de 6.5 mm, ou seja, de secção igual a 25mm2.
O número de cabos a usar depende da altura e da área da edificação
Todas as carcaças de equipamentos, estruturas metálicas, tubagem metálica, etc., do edifício, devem ter equalização de potencial, ou seja, devem estar ligados ao sistema de terra de protecção existente.
Sob o solo, os condutores de aterramento (equipotencial) devem, por sua vez, ser ligados a uma barra metálica.
Acima do subsolo, para edificações de mais de 20m de altura, as barras equipotenciais devem ser ligadas a um anel horinzontal que interliga os condutores de descida.

Eléctrodos de Terra

É uma das mais partes mais importantes, não só de uma instalação de pára-raios, mas de todo o sistema de protecção eléctrica de um edifício. Isto porque é através dele que todos os raios (cargas oriundas da nuvem) se descarregam para aterra e assim são neutralizados sem perigo para a estrutura e pessoas.
Os eléctrodos mais utilizados são:
– barra de copperweld de ¾ de polegadas x 2 m de comprimento
– cano de aço galvanizado de 2 polegadas x 3 m de comprimento
– cabo de cobre de secção igual a 35mm2 enterrado na horizontal a 60cm de profundidade
Esses eléctrodos devem ser enterrados e feita a medição de terra.
Sabendo que cada terreno tem a sua resistência própria (os húmidos têm resistência mais baixa, ao contrário do que acontece com os pedregosos).
Se, num caso particular, com as regras acima mencionadas, não for obtida a resistência de 10ohms, devemos aumentar o número de eléctrodos até que o seja.
Outras maneira de fazer o aterramento sem usar eléctrodos:
– Condutor enterrado horizontalmente, ao qual se aplica a fórmula R = 2Ró/L
Sendo:
R – Resistência de aterramento, em ohm;
– ró – resistividade do solo, em ohm.metro
– L – comprimento da vala onde está enterrado o condutor, em metros.

2 – Hastes de aterramento, enterradas verticalmente: R = ró/L

Sendo L o comprimento da haste, em metros.

3 – Valores médios para a resistividade do solo:
– solos aráveis férteis ou solo compactado húmido: ró = 50 ohms . m
– solos aráveis pouco férteis ou saibro ou aterro não compactado: ró = 500 ohms.m
– solos pedregosos nus, areia seca ou rochas impermeáveis: ró = 3000 ohms.m

[continua…]

Força Contra Electromotriz (F.C.E.M.)

Como as duas animações dos dois artigos, desta série, anteriores mostraram, os motores e geradores DC podem ser uma e a mesma coisa. Por exemplo, os motores dos comboios tornam-se geradores quando o comboio está a travar: eles convertem energia mecânica/cinética em energia eléctrica e colocam potência de volta na rede eléctrica. Recentemente, um conjunto de fabricantes começou a construir os motores de carros de forma racional. Nesses carros, os motores eléctricos utilizados para fazer andar o carro são também utilizados para carregar as baterias quando o carro está a parar – é a chamada travagem regenerativa.
Eis pois um interessante corolário. Todo o motor é um gerador. Isso é verdade, em certo sentido, mesmo quando funciona como motor. A fem que um motor gera e chamada de força contra electromotriz (fcem). Esta fcem cresce com a velocidade, devido à lei de Faraday. Então, se o motor não tem carga, ele roda com alta velocidade até que a fcem, mais a queda de tensão devido a perdas, iguala a tensão de alimentação. A fcem pode ser imaginada como um ‘regulador’: ela faz com que o motor não rode com velocidade infinita (poupando, com isso, um certo embaraço aos físicos). Quando o motor tem carga, então a fase da tensão torna-se próxima da da corrente (fica a parecer-se mais resistiva) e esta aparente resistência dá-nos uma tensão. Então, a fcem necessária é menor, e o motor roda mais devagar. (Para adicionar a fcem, que é indutiva, a um componente resistivo, temos de ter tensões que estão desfasadas, como aprendemos no estudo dos circuitos AC).

As Bobinas geralmente têm Núcleos

Na prática, (e ao contrário dos diagramas que desenhámos), os geradores e motores DC possuem, em geral, um núcleo de alta pearmibilidade magnética no interior da bobina. Dessa forma os elevados campos magnéticos podem ser gerados por correntes relativamente pequenas. Isso é mostrado na figura abaixo, à esquerda, na qual os estatores (as partes magnéticas que não se movem) são ímanes permanentes.

Motores Universais

Os ímanes do estator, também, podem ser feitos como electroímanes, como mostrado acima, à direita. Os dois estatores são rasgados no mesmo sentido de forma a formarem um campo no mesmo sentido e o rotor fica com um campo que se inverte duas vezes em cada ciclo porque está ligado a escovas, que neste desenho não aparecem. Uma vantagem de ter estatores rasgados é que assim podemos fazer um motor que funciona alimentado a AC ou DC, um chamado motor universal. Quando o alimenta com AC, a corrente na bobina muda duas vezes em cada ciclo (para além das mudanças devidas às escovas), mas a polaridade dos estatores mudam também nos mesmos instantes, e por isso essas mudanças cancelam-se mutuamente. (Infelizmente, contudo, há ainda as escovas, mesmo tendo em atenção que não aparecem no desenho). Para verificar as vantagens e desvantagens dos ímanes permanentes versus os estatores rasgados, veja um dos artigos posteriores).

ALTERNADOR

Se quisermos antes um gerador de corrente alternada (AC), ou alternador, não precisamos da rectificação. Por isso, não precisamos do anel dividido em partes (isso é bom porque os anéis divididos em partes podem originar faíscas, ozono, rádio interferências e maior desgaste. Aliás, se se pretender um gerador DC, o melhor, muitas das vezes, é usar um alternador e rectificar depois a tensão com díodos).
Na animação seguinte, as duas escovas estão em contacto com dois anéis contínuos (inteiriços), e assim os dois terminais exteriores estão sempre ligados às mesmas extremidades da bobina. O resultado disso é a f.e.m. criada ser não rectificada, sinusoidal, e de valor igual a NBAω.senωt, que é mostrada na animação seguinte.

Isto é um gerador AC. As vantagens dos geradores AC e DC, um relativamente ao outro, são comparadas mais à frente (num outro artigo). Vimos anteriormente (em artigo anterior) que um motor DC é também um gerador DC. De forma idêntica um alternador é também um motor AC. Contudo, trata-se de um motor muito pouco flexível, por isso não muito utilizado.